Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Zero dryftu, zero przesłuchu, zero problemu

ghost666 21 Jun 2017 18:58 2904 5
Fluke Kamera Termowizyjna
  • W aplikacjach takich jak sensory pozycji, systemy akwizycji danych czy rezystancyjne czujniki pomiarowe, konieczne jest zachowanie bardzo wysokiej precyzji w torze pomiarowym. W wielu przypadkach wykorzystanie precyzyjnych układów scalonych redukuje poziom komplikacji toru sygnałowego, zmniejsza ilość potrzebnych komponentów, powierzchnię zajmowaną na płytce drukowanej i w konsekwencji także koszt urządzenia.

    Pamiętać trzeba, projektując tego rodzaju system, że błędy pomiarowe jednego układu mogą propagować przez cały układ i wraz z niedokładnościami innych elementów tworzyć niepożądane i często nieprzewidziane błędy w wynikach pomiarów. Na przykład w przypadku przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) z wzmacniaczem operacyjnym jako buforem wyjściowym, konieczne jest dobranie odpowiednich elementów, aby uzyskać zadaną precyzję. Dobór odpowiedniego op-ampa jest nie mniej kluczowy niż odpowiedniego przetwornika.

    Tradycyjne op-ampy z wejściami i wyjściami typu rail-to-rail produkowane w technologii CMOS zawierają w sobie dwie pary komplementarnych tranzystorów polowych: PMOS (niebieski) oraz NMOS (czerwony), jak pokazano na rysunku 1. Dzięki zastosowaniu dwóch par tranzystorów, układ ten może pracować w pełnym zakresie napięć, wynikającym z napięcia zasilania. Problem pojawia się jednak w momencie, gdy działanie układu przechodzi z jednej pary tranzystorów na drugą. Zniekształcenia przy przejściu przez zero to nieliniowe i nietypowe zakłócenia wynikające właśnie z przełączania się par pomiędzy sobą, gdy napięcie przechodzi przez zero. Przyczyną powstawania tych zniekształceń jest różny offset napięciowy na poszczególnych tranzystorach w systemie.

    Zero dryftu, zero przesłuchu, zero problemu
    Rys.1. Schemat tradycyjnej architektury wzmacniacza rail-to-rail w technologii CMOS


    Na rysunku 2 pokazano przykładowe zakłócenia tego typu (czarne) w porównaniu z układem o zerowych zniekształceniach przy przejściu przez zero (czerwone). Widoczna jest zmiana offsetu napięciowego na wejściu op-ampa dla pewnego poziomu napięcia współbieżnego.

    Zero dryftu, zero przesłuchu, zero problemu
    Rys.2. Zależność wejściowego offsetu napięciowego od napięcia współbieżnego dla op-ampa rail-to-rail


    Jeśli tego rodzaju, klasyczny CMOSowy wzmacniacz operacyjny podłączymy na wyjściu precyzyjnego przetwornika DAC to zniekształćenia przy przejściu przez zero przełożą się na drastyczne zwiększenie się całkowitej nieliniowości systemu (INL); system może mieć odchyłki nawet kilka LSB od zadanej wartości. Ale czym jest LSB, poniższy wzór opisuj, jak wyznaczyć tą wartość:

    $$1 LSB = \frac{V_{ref}} {2^N}$$ (1)


    gdzie Vref to napięcie odniesienia DACa a N to liczba jego bitów.

    Na przykład układ DAC8830 - to 16 bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Przy napięciu odniesienia 1 LSB wynosi:

    $$1 LSB = \frac {5 V} {2^{16}} = 76,3 \mu V$$ (2)


    Więc odchyłka o 1 LSB na wyjściu oznacza błąd napięcia wynoszący 76,3 µV. Taka wartość błędu wyjściowego może być problematyczna dla wielu precyzyjnych aplikacji, szczególnie w krytycznych systemach, gdzie niedokładności działania systemu na tym poziomie przełożyć się mogą na niepoprawne działanie całego urządzenia.

    Jak zatem pozbyć się problemu z nadmiernym błędem wyjściowym? Wystarczy wykorzystać odpowiedni wzmacniacz, to jest taki, który nie wykazuje zniekształceń podczas przejścia przez zero.

    Jeśli w projektowanym przez nas systemie konieczne jest przechodzenie napięciem przez zero zastosować można wzmacniacz taki jak OPA388, który dzięki swojej architekturze nie generuje zniekształceń podczas przechodzenia przez zero. Specjalna topologia tego układu wykorzystuje wewnętrzną pompę ładunku do uzyskania liniowej pracy w całym zakresie napięć wyjściowych, niezależnie od napięcia współbieżnego na wejściu (oczywiście w granicy napięć zasilania elementu). Dzięki zastosowaniu pompy ładunku w op-ampie, układ działa poprawnie z jedną tylko parą komplementarnych tranzystorów wejściowych. Na rysunku 3 zaprezentowano uproszczony schemat architektury opisanego powyżej rodzaju.

    Dzięki opisanej topologii układ ten działa w pełnym zakresie napięć zasilania (rail-to-rail), a jednocześnie nie generuje zniekształceń podczas przechodzenia napięcia przez zero, ponieważ wykorzystuje tylko jedną parę tranzystorów do działania. Jeśli na wyjściu omawianego powyżej przetwornika DAC podłączymy tego rodzaju op-amp, to nie zwiększymy nieliniowości systemu, ponieważ nie wprowadzimy do toru sygnałowego zmiennego offsetu, zależnego od napięcia współbieżnego, jak w tradycyjnym wzmacniaczu CMOS.

    Zero dryftu, zero przesłuchu, zero problemu
    Rys.3. Architektura wzmacniacza operacyjnego z zerowymi zniekształceniami przy przejściu przez zero.


    Na rysunku 4 zaprezentowano całkowitą nieliniowość mierzoną na wyjściu tradycyjnego op-ampa CMOS - OPA340 (czarna krzywa) i na wyjściu opisanego powyżej OPA388 (czerwona krzywa). Oba elementy podłączone były do wyjścia przetwornika DAC8830. Całkowitą nieliniowość elementu mierzono w funkcji cyfrowej wartości (kodu) podanego na przetwornik cyfrowo-analogowy.

    Zero dryftu, zero przesłuchu, zero problemu
    Rys.4. Całkowita nieliniowość na wyjściu wzmacniaczy operacyjnych podłączonych do DAC.


    Jak widać na rysunku 4 dla OPA388 nie są widoczne zniekształcenia sygnału, jakie obserwuje się dla klasycznego wzmacniacz operacyjnego. Więcej na ten temat można poczytać w referencyjnym projekcie bufora wyjściowego dla przetworników DAC, dostępnego tutaj.

    Aby uzmysłowić sobie, jak istotne jest wykorzystanie tego typu elementów w torach pomiarowych, jest wyobrażenie sobie jego aplikacji na przykład w systemie do rezonansu magnetycznego (MRI). Tego rodzaju urządzenie wykorzystuje m.in. pole magnetyczne do obrazowania - 2D i 3D - ludzkiego ciała w celach diagnostycznych. Każdy błąd lub niedokładność toru pomiarowego przekłada się na pogorszenie jakości uzyskiwanych obrazów, a od ich czytelności zależy często ludzkie życie.

    Wzmacniacz OPA388 to pierwszy na rynku op-amp wykorzystujący opisaną powyżej technologię oferującą zerowe zniekształcenia przy przejściu przez zero. Dodatkowo układ ten wykazuje się zerowym dryfem dzięki zastosowaniu wewnętrznego układu kompensacji. Przekłąda się to na ultra-niski offset napięciowy wejścia i bardzo niewielki jego dryft w czasie jak i w funkcji temperatury.

    Układ ten oferuje także szereg innych zalet, takich jak brak szumu 1/f, bardzo niski poziom szumu białego (szerokopasmowego) i niewielkie zniekształcenia napięcia wyjściowego. Wszystkie te czynniki przekładają się poprawę niezawodności i precyzji systemu, w którym zastosowano ten element.

    Dzięki powyższym czynnikom układ ten sprawdzi się idealnie w trudnych warunkach. Weźmy za przykład basen i system kontroli pH w wodzie - musi ob wykazywac się dużą stabilnością pomiaru tej wartości przez wiele lat i w zmiennych warunkach termicznych. Tylko dzięki temu system będzie w stanie np. odpowiednio dozować chlor do wody, aby utrzymać odpowiednie pH i czystość wody. Błędy pomiarowe op-ampa mogą się w konsekwencji przełożyć na pogorszenie jakości wody.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/04/21/zero-out-your-system-error-with-zero-drift-zero-crossover-and-zero-hassle

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10590 posts with rating 8941, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Fluke Kamera Termowizyjna
  • Fluke Kamera Termowizyjna
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    winio42 wrote:
    Czy ten problem dotyczy też wzmacniaczy z autozerowaniem offsetu (tzw. zero-offest, auto-zero albo chopper) np. ADA4522?


    Wydaje mi się, że tak, aczkolwiek - z uwagi na auto-zero - minimalny.
  • #4
    winio42
    Level 19  
    No właśnie się zastanawiam. Jeśli dobrze rozumiem, to autozero powinno (w zależności od częstotliwości choppera) szybciej lub wolniej skasować offset.
    Czyli, jeśli istotne dla nas są częstotliwości sporo poniżej częstotliwości choppera to nie powinno być problemu - dobrze myślę?
  • #5
    ghost666
    Translator, editor
    winio42 wrote:
    No właśnie się zastanawiam. Jeśli dobrze rozumiem, to autozero powinno (w zależności od częstotliwości choppera) szybciej lub wolniej skasować offset.
    Czyli, jeśli istotne dla nas są częstotliwości sporo poniżej częstotliwości choppera to nie powinno być problemu - dobrze myślę?


    Tak, jeśli odfiltrujemy to co będzie u góry, powyżej choppera, to ma to sens, bo auto-zero nam ustabilizuje to wszystko co wolniejsze, a szybsza 'szpilka' która się pojawi przy przejściu przez zero zostanie odfiltrowana przez nasz filtr. Tylko pamiętaj - dużo i mocno filtrować, bo to zawsze dobrze robi na szum szerokopasmowy. Jak ten układ stoi z szumem 1/f?